LED点阵显示的设计毕业论文.doc
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1、毕业设计说明书毕业设计说明书 课题名称: LED 点阵显示的设计 学生姓名 李 科 专 业 机电一体化 班 级 机电 0802 时 间 2010.9 2011.5 指导教师 叶 茎 电子工程学院 2 摘要摘要 随着时代的发展,数字电子技术已经普及到我们生活,工作,科研,各个 领域,而 LED 显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、 成本低廉等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内、外显示场 合的信息发布,公益宣传,环境参数实时,重大活动倒计时等等得到广泛的应 用,本项目设计的 LED 点阵书写显示屏采用了 STC89C52 单片机作为系统的控制 芯片,系统分别由点
2、阵模块、控制器模块、电源转换模块、点阵驱动模块、键 盘模块五部分组成。本文介绍了 LED 点阵电子显示屏的动态显示的设计过程。 单片机控制程序采用单片机 C 语言进行编辑,通过编程控制各显示点对应 LED 阳极和阴极端的电平,就可以有效的控制各显示点的亮灭。所显示字符的点阵 数据可以自行编写(即直接点阵画图) ,也可从标准字库中提取。显示屏采用 88 的 LED 点阵,显示西文字母或单色图像。显示方式采用动态显示,使得图 形或文字能够实现向上滚动、逐字显晃等多种显示方式。本系统涵盖了单片机、 8*8 LED 点阵和按键的应用技术。 其操作方便,功能强大,在控制器的管理下 在点阵显示屏上实现“逐
3、字显示、滚动显示、黑屏显示、跑马灯”的功能并由 键盘模块来控制来对各种功能来进行切换。 关键词:关键词:STC89C52 单片机; LED; 点阵显示; 动态显示; C 语言 3 目目 录录 一一 概述概述5 1.11.1 引言引言 .5 1.21.2 设计目的和意义设计目的和意义 .6 二二 方案功能的详述及论证方案功能的详述及论证.7 2.12.1 方案功能详述方案功能详述 .7 2.1.1 总体功能设计.7 2.1.2 具体功能模块设计.7 2.22.2 方案论证方案论证 .8 三三 LEDLED 显示屏的介绍及系统原理显示屏的介绍及系统原理.9 3.13.1 LEDLED 的简介的简介
4、 9 3.1.1 LED 的发光原理9 3.1.2 LED 的发展9 3.1.3 LED 的优点10 3.1.4 LED 的应用11 3.23.2 LEDLED 显示屏系统原理显示屏系统原理 12 3.2.1 LED 显示屏的简介12 3.2.2 LED 显示屏的分类12 3.2.3 LED 显示屏技术特点13 3.2.4 点阵 LED 扫描方法介绍.13 3.2.5 点阵屏原理.14 四四 系统硬件部分设计系统硬件部分设计15 4.14.1 芯片选择及功能简介芯片选择及功能简介 .15 4.1.1 单片机的选择.15 4.1.2 STC89C52 芯片介绍15 4.1.3 单片机的发展趋势.
5、18 4.1.4 LM7805 三端稳压蕊片(作为创新补充)19 4.1.5 MAX232 蕊片21 4.1.6 9012 三极管22 4 4.24.2 单片机机统的外围电路单片机机统的外围电路 .22 4.2.1 电源电路.22 4.2.2 复位电路.23 4.2.3 电源指示灯电路.23 4.2.4 串口 ISP 下载电路.24 4.2.5 单片机时钟电路.24 五五 系统软件设计系统软件设计.25 5.15.1 系统主要程序的设计系统主要程序的设计 .25 5.25.2控制控制 LEDLED 系统的原程序及详解系统的原程序及详解.26 六六 总结与展望总结与展望.32 致谢致谢.33 参
6、考文献参考文献34 附录附录.35 5 一一 概述概述 1.1 引言 在微型计算机技术使用上,单片机主要用于工业测控,如家用电器,计算 机外围设备,工业智能化仪表,机器人,生产过程的自动控制,农业,化工, 军事,航空航天等领域等,都有着巨大的作用。 点阵显示是集微电子技术、计 算机技术、信息处理于一体的新型显示方式,由于其具有色彩鲜艳,动态范围 广,亮度高,寿命长,工作稳定可靠等优点。目前大多数的招牌都是采用固定 的板块显示,显示的信息量少,内容固定,修改站点信息比较麻烦,不能快速、 便捷的更新站点信息,本文提出一种方案,采用 LED 点阵显示模块,克服了上 述缺点,不仅可以静态的显示信息,而
7、且也可以通过动态滚动,从而增加信息 显示的容量。为了醒目,还可以产生诸如闪动、滚动等显示效果。显示信息也 从固定内容发展到任意内容的多种显示方式,对显示信息的编辑、修改,也由 遥控键盘有线通讯模式发展到用计算机编辑文字,在经专用无线控制器将其发 射到各站点的通讯模式。8*8 点阵 LED 字符显示器系统在工业、各种比赛场合 及日常生活应用中占有十分重要的地位,多年来,研究此项目的工程技术人员 曾为简化电路、提高可靠性、降低成本,付出了很大的努力,做出不少成绩。 如今,美观、价廉、体积小、高可靠性 8*8 点阵 LED 字符显示器的出现,为这 一领域的技术打开了新的天地。LED 字符显示器发发展
8、到今天已经从模拟化、 分立化迈进数字化、集成化 LED 系统。以后的发展趋势是卫星定位系统站点显 示器,客车内站牌显示器由天线、卫星定位模块、微处理器、LED 点阵驱动电 路、LED 点阵站牌和电可擦写存储器构成。 目前在广泛的显示器由 LED 点阵显示器和 LCD 液晶显示器,还有部分 CRT 显示器,由于 CRT 显示器耗电量多、体积较大,且本质量较重,与 LED 点阵显 示器和 LCD 液晶显示器相比,已处于下风,目前 LED 和 LCD 显示器成为现代人 们选择之一,它们各有优缺点。LCD 液晶显示器具有图像清晰、体积小、功耗 低等优点,但它的成本高、亮度低、寿命短、可视距离和角度很有
9、限。而 LED 显示屏具有亮度高、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式 6 丰富等优点。 1.2 设计目的和意义 1、设计意义 (一) 、有利于本专业所学知识理解,通过在学校学习,学生掌握了一些信 息时代生存与发展必需的信息技术基础知识和基本技能,具备了在日常生活与 学习中应用信息技术解决问题的基本态度与基本能力。 (二)有利于逻辑思维的锻炼,做任何事情都有一定的步骤,整个过程学生 都需要有条理地构思,这中间有猜测设想、判断推理的抽象思维训练,也有分 析问题、解决问题、预测目标等能力的培养。 (三) 、LED 点阵显示器具有亮度高、发光均匀、可靠性好、接线简单、拼 装方便等优点,
10、能构成各种尺寸的显示屏。而在当今时代背景的影响下,LED 显示屏的研究意义也尤为明显:一是节能(直接功耗,间接耗能) ,二是基本无 电离辐射,三是提高空间利用率。现代社会智能化日渐普遍,使用单片机实现 对电路的控制是时代的要求。因此基于单片机的 LED 点阵系统不仅在当代社会 有着非常大的用途,其应用前景也十分广阔。目前,LED 正朝着更高亮度、更 高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。 二、设计目的 (一) 、利用 8*8LED 点阵显示数字“毕业设计”字样。采用 STC89C52 单片 机作为整个控制搭电路的核心,并编制软件程序,实现动态轮流显示。通过此 设
11、计来巩固单片机硬件系统的设计及软件系统的编程,通过设计将平时所学知 识付诸实践,提高动手能力。 (二) 、通过理论课的学习和实训,我们已经掌握了不少理论知识和生产实 际知识,运用所学知识去分析和解决实际问题才是最终目的。 7 二二 方案功能的详述及论证方案功能的详述及论证 2.1 方案功能详述 2.1.1 总体功能设计 基本功能:用单片机设计一个 LED 的点阵显示,要求 8*8 点阵 LED 实现简 单中文汉字、字母、数字的显示,显示方式有逐字显示、向上滚动显示和黑屏, 用按键切换显示方式,并用按键控制系统复位。 创新功能:最后还可以使用双色 LED 控色其颜色的变化和让 64 个 LED
12、灯实 现跑马灯的功能。 具体说明如下: 一、按键 1 按下后,LED 会逐字显示“毕业设计”四个字。 二、按键 2 按下后,等上一个显示模式运行完后,LED 会滚动显示“毕业 设计”四个字。 三、按键 3 按下后,等上一个显示模式运行完后,LED 会黑屏。 四、按键 4 按下后,等上一个显示模式运行完后,实现跑马灯功能。 2.1.2 具体功能模块设计 文论述的交通灯控制系统包括如下功能模块: 一、串口 ISP 下载模块:利用 MAX232 蕊片让单片机与计算机相连,把相应 的程序输入到 STC89C52 单片机中来控制点阵显示。 二、5V 电源转换模块:通过 7805 三端稳压蕊片将 4V32
13、V 的电压转换成 稳定的 5V 电压给单片机供电。 三、功能的复位模块:给一个高的电压给 9 号管脚,这样可以让单片机实 现功能的复位。 四、点阵显示驱动模块:能过八个 9012 三极管作为驱动来实现 64LED 灯的 点亮和熄灭。 五、LED 点阵显示模块:将 LED 点阵的共阳极端通过三极管接入 P2 口,共 阴极的端子则接入 P0 端口。 8 2.2 方案论证 LED 点阵显示系统硬件部分采用了 STC89C52 单片机最小化应用设计,工作 时钟为 12MHz,采用 88LED 点阵显示器动态扫描实现 LED 灯的字显示。整个 硬件系统主要分为三个部分:单片机部分,包括其外围复位及时钟源
14、电路;LED 点阵显示部分,包括输人限流和行扫描驱动电路;电源电路,通过稳压蕊片 7805 得到+5V 电源为系统供电。系统的工作原理是:由 5V 稳压电源为整机提供 标准供电电源,键盘作为功能选择的输入,当按下任意键时,单片机内部键扫 描程序置某一标志位,同时转相关功能程序,在 LED 点阵上时实显示出来其 中单片机 AT89C52 的端口定义为:P0 端口作为输出一行数据;P1.0P1.3 端口 接四个按键;P2 端口行扫描。而且本系统的制作也借鉴了以往做最小系统板时 所用的基本电路,如图 2-1 所示,可操作性强。 图 2-1 主体基本电路 本系统的设计和具体实际应用相结合,系统的安全性
15、、可靠性及实用性强, 操作简单、扩展功能强,设计具有良好的可行性和可操作性。 9 三三 LEDLED 显示屏的介绍及系统原理显示屏的介绍及系统原理 3.1 LED 的简介 3.1.1 LED 的发光原理 发光二极管是由-族化合物,如 GaAs(砷化镓) 、GaP(磷化镓) 、 GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结 的 I-N 特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还 具有发光特性。在正向电压下,电子由 N 区注入 P 区,空穴由 P 区注入 N 区。 进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光, 如
16、图 1 所示。 假设发光是在 P 区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光, 或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些 电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴 复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复 合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以 光仅在靠近 PN 结面数 m 以内产生。 3.1.2 LED 的发展 LED 显示屏的发展可分为以下几个阶段:第一阶段为 1990 年到 1995 年, 主要是单色和 16 级双色图文屏。用于显示文字和简单图片,主要用在车站、银 行
17、、邮局等公共场所,作为公共信息显示工具。 第二阶段是 1995 年到 1999 年,出现了 64 级、256 级灰度的双基色视频屏。 视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将 LED 显示屏提升到了 一个新的台阶。LED 显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业 开发出来并得以应用。 第三阶段从 1999 年开始,红、纯绿、纯蓝 LED 管大量涌入中国,同时国内 企业进行了深入的研发工作,使用红、绿、蓝三原色 LED 生产的全彩色显示屏 被广泛应用,大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所,从而将国内的 10 大屏幕带入全彩时代。 随着 LED 原材料市场的迅猛发展,表面
18、贴装器件从 2001 年面世,主要用在 室内全彩屏,并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性,可随意调整的点间 距,被不同价位需求者所接受,在短短两年多时间内,产品销售额已超过 3 亿 元,表面贴装全彩色 LED 显示屏应用市场进入新世纪。为了适应 2008 年的奥运 会,利亚德开发了表面贴装双基色显示屏,大量用于训练馆和比赛计时计分系 统。在奥运场馆全彩屏方面,为紧缩投资,全彩屏大部分采用可拆卸方式,奥 运期间可作为实况转播工具,赛事结束后可用于租赁,作为演出、国家政策发 布等公共场合应用工具,通过这种方式可尽快收回成本。 就市场而言,中国加入 WT0、北京申奥成功等,成为 LED 显示屏产业
19、发展 的新契机。国内 LED 显示屏市场保持持续增长,目前在国内市场上,国产 LED 显示屏的市场占有率近 95%。国际上 LED 显示屏的市场容量预计以每年 30%的速 度在增长。 3.1.3 LED 的优点 LED 的具有的优点如下: 一、体积小:LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以 它非常小,非常轻。 二、耗电量低:LED 耗电相当低,直流驱动,超低功耗(单管 0.03-0.06 瓦) ,电光功率转换接近 100%。一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V,工作的电 流是 0.02-0.03A;这就是说,它消耗的电能不超过 0.1W,相同照明效果比传统 光源节能
20、80%以上。 三、使用寿命长:有人称 LED 光源为长寿灯。它为固体冷光源,环氧树脂 封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点,在恰 当的电流和电压下,使用寿命可达 6 万到 10 万小时,比传统光源寿命长 10 倍 以上。 四、高亮度、低热量:LED 使用冷发光技术,发热量比普通照明灯具低很 多。 五、环保:LED 是由无毒的材料作成,不像荧光灯还有银会造成污染,同 时 LED 也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有 辐射,眩光小,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源 11 六、坚固耐用:LED 被完全封装在环氧树脂里面,比灯泡和荧光灯管
21、都坚 固。灯体内也没有松动的部分,使得 LED 不易损坏。 七、技术先进:与传统光源单调的发光效果相比,LED 光源是低压微电子 产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式制技 术等,所以亦是数字信息化产品,是半导体光电器件“高新尖”技术,具有在 线编程、无限升级、灵活多变的特点。 3.1.4 LED 的应用 一、 显示屏、交通讯号、广告业多媒体、城市亮化显示光源的应用 LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点,广泛应用于各种室 内、户外显示屏,分为全色、三色和单色显示屏,全国有 100 多个单位在开发 生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色 LED
22、, 因为采用 LED 信号灯既 节能,可靠性又高,所以在全国范围内,交通信号灯正在逐步更新换代,而且 推广速度快,市场需求量很大,是个很好的市场机会。 二、LED 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目,LED 作为 LCD 背光 源应用,具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点, 已广泛应用于 电子手表、手机、BP 机、电子计算器和刷卡机上,随着便携电子产品日趋小型 化,LED 背光源更具优势,因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一 致方面发展。LED 是手机关键器件,一部普通手机或小灵通约需使用 10 只 LED 器件,而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约 20 只 LE
23、D 器件。现阶 段手机背光源用量非常大,一年要用 35 亿只 LED 芯片。目前我国手机生产量 很大,而且大部分 LED 背光源还是进口的,对于国产 LED 产品来说,这是个极 好的市场机会。 三、 LED 照明光源早期的产品发光效率低,光强一般只能达到几个到几十 个 mcd,适用在室内场合,在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面 应用。目前直接目标是 LED 光源替代白炽灯和荧光灯,这种替代趋势已从局部 应用领域开始发展。日本为节约能源,正在计划替代白炽灯的发光二极管项目( 称为“ 照亮日本“) ,头五年的预算为 50 亿日元,如果 LED 替代半数的白炽灯 和荧光灯,每年可节约相当于
24、 60 亿升原油的能源, 相当于五个 1.35 106kW 核电站的发电量,并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生,改善人们生活居 住的环境。 12 3.2 LED 显示屏系统原理 3.2.1 LED 显示屏的简介 LED 显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱 动,具有如下优点: 耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距 离远、规格品种多。 LED 显示产品系列有:单色、彩色条形显示屏;计算机控制数码显示屏;单 色图文显示屏;三色(红、绿、黄)图文显示屏;点阵和数码混合显示屏(证 券屏) ;双基色(红、绿)多媒体视频同步显示屏;三基色(红、绿、蓝)多媒 体视频同
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